赵庄二号井顺层钻孔抽采半径测试分析

刘亮亮 任建平

（晋能控股装备制造集团赵庄二号井，山西 长治 046600）

赵庄二号井位于山西省长治市长子县慈林镇，距太洛公路约200 m，距东田良火车站约2000 m，距赵庄矿井及附近坑口电厂约4000 m。赵庄二号井全井田3#煤层以位于井田中部的长焦铁路和长晋高速煤柱为界，划分为2 个盘区，东翼为一盘区（东盘区），西翼为二盘区（西盘区）。截至目前，3#煤一盘区内的正规工作面已回采结束，现生产盘区为西翼二盘区。赵庄二号井为立井开拓，其工业广场布置有主、副立井，井田东、西两翼盘区分别布置一个回风立井。

赵庄二号井为高瓦斯矿井，在综采工作面回采过程中，容易发生煤壁片帮，导致瓦斯大量涌出，造成瓦斯超限事故。抽采影响半径在抽采钻孔设计过程中起着至关重要的作用，通过测定抽采有效半径可以更好地指导抽采钻孔的设计，以便科学合理地确定矿井瓦斯治理方案[1-3]。

1 概况

赵庄二号井3#煤层属于山西组中下部，与底部K7 砂岩距离为10.29 m，煤层厚度在0.35～6.78 m区间内，平均煤层厚度为4.26 m。煤层厚度由东南逐渐向西北变薄，结构简单，含0～1 层夹矸，层位、厚度均比较稳定，为稳定的大部可采煤层。顶板岩性为泥岩、粉砂岩，底板为泥岩、粉砂岩，且含有大量的植物茎叶化石。

测试地点选在赵庄二号井西盘区2311 综放工作面，所处水平为+471 m 水平。该工作面煤层底板最高标高与最低标高分别为+514 m、+498 m，走向长456.7 m（帮-停采线）。该工作面倾斜长度为166.4 m（帮-帮），煤层倾角为1°～5°，平均为2°，无突出危险性，煤层平均厚度为4.5 m。具体瓦斯参数见表1。

表1 瓦斯参数表

2 煤层瓦斯赋存规律确定

根据赵庄二号井三维地震探查断层和采掘工程实际揭露断层对比分析表明，矿井采掘过程中揭露断层主要以落差小于5 m 的小型断层为主，对矿井生产影响相对较小。虽存在落差大于5 m 的断层，但走向展布均在50 m 以内，对瓦斯赋存及运移影响较小。且井田内未见岩浆岩侵入，可视为井田内3#煤层为同一瓦斯地质单元。

根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ 1018-2006）中第C.3 条，使用地勘钻孔解吸法进行煤层瓦斯含量测定时，当钻孔的深度小于500 m 时，应按照《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》（AQ 1046-2007）的标准进行瓦斯含量测定；当钻孔的深度为500～1000 m 或者煤的解吸性能非常强时，测定值必须进行校正[4]。赵庄二号井3#煤层主要区域埋深小于500 m，虽部分区域埋深大于500 m，但在井下解析过程中，3#煤的解吸性能弱，主要为粉碎过程中产生解析。另外，赵庄二号井井田面积较小，煤层埋深变化不明显，经对比筛选后的地勘期间瓦斯含量和井下实测瓦斯含量相差不明显。综合分析，确定筛选后的地勘期间测得的瓦斯含量较为可靠，不需再修正。

大量科研成果证明煤层原始瓦斯含量受煤层埋深控制，符合线性统计规律[5-6]。通过筛选后的地勘期间及井下现场实际测量的瓦斯含量，进行趋势拟合综合分析，得到参与线性统计规律生成的有效数据见表2。

表2 参与线性统计规律钻孔数据

通过拟合分析，确定出3#煤层瓦斯赋存规律（图1），在一定程度上反映了各煤层瓦斯的基本情况，得到瓦斯含量（W）随着煤层埋深（H）的增加而呈现增加趋势，两者之间遵循如下形式的线性统计规律：

图1 3#煤层瓦斯含量与埋深关系图

式中：W为煤层瓦斯含量，m3/t；H为煤层埋藏深度，m。

3#煤层瓦斯含量增长梯度为：3.21 m3/（t·100 m）。

由3#煤层预测可知，确定井田内3#煤层预测原始瓦斯含量为3.6～7.4 m3/t，其中二盘区预测原始瓦斯含量为5.6～7.4 m3/t。另外，赵庄二号井与赵庄矿三、五盘区距离较近，赵庄矿三盘区3#煤层原始瓦斯含量8.0～13.0 m3/t，五盘区3#煤层原始瓦斯含量4.0～7.0 m3/t，而五盘区（低瓦斯区域）距离赵庄二号井二盘区较为接近。根据赵庄二号井3#煤层瓦斯含量等值线图可知，二盘区预测原始瓦斯含量为5.6～7.4 m3/t。结合赵庄矿五盘区3#煤层原始瓦斯含量4.0～7.0 m3/t 判断，确定赵庄二号井3#煤层预测的原始瓦斯含量3.6～7.4 m3/t 较为准确。

3 钻孔设计及施工参数

由于预抽钻孔测压封孔难度较大，且成功率相对比较低，因此，预抽钻孔的抽采影响半径使用流量法测定。采用流量法测定抽采半径的原理是[7]：在煤层瓦斯自然排放时，钻孔内瓦斯流量的规律是随时间的增加呈现负指数形式减弱；而当考察孔在抽采钻孔抽采影响半径的范围内时，考察孔周围的瓦斯就会被抽采钻孔抽走，考察孔的瓦斯流量就会在此区间段内突然下降，根据考察孔在瓦斯抽放钻孔联网前后瓦斯流量的变化情况来确定预抽瓦斯钻孔的抽采影响半径。

3.1 封孔工艺

各钻孔施工结束后，钻机空转3～5 min，将孔内的积水和煤屑排出，保证封孔管能够顺利送入钻孔内。每个钻孔在施工结束后，将两个囊袋用扎带固定在封孔管上。根据封孔长度要求，提前截取好相应长度的注浆管，把封孔管上固定好的囊袋，使用快速接头连接在一起。截取一段注浆管，一端固定在第一根（外端口）封孔管上，另一头固定在第二根（里端口）封孔管上，注浆管长度略短，保证注浆管里端头位于里段封孔囊袋向外0.5～1.0 m 位置，将注浆管同时固定在封孔管上。封孔时，将提前固定好的封孔管和囊袋迅速穿入钻孔，然后将注浆管固定在封孔管上一起穿入钻孔，最后将第二根固定有封孔囊袋的封孔管送入钻孔，并保证外段囊袋距孔口距离为2～3 m，保证封孔长度不少于15 m。孔口外端固定1～2 袋封孔，对钻孔孔口段进行初封。注浆管外露长度0.5 m 左右。钻孔初封好后，安排专人进行注浆。钻孔注浆使用的是KFQFK-IV 型气动自动瓦斯封孔泵，注浆压力保持在0.8 MPa 以上并稳定1～2 min 即可达到要求。封孔要保证严密，不漏气[8-9]。

3.2 测试步骤

1）按照钻孔设计参数，在煤层中依次布置7个考察孔，分别标号1～7，此外增设8 号抽采孔，钻孔直径为0.094 m，打钻设计孔深为50 m。

2）1 号～7 号考察孔施工完毕后，清除钻孔内煤屑和积水，并退出全部钻杆。

3）施工完每个钻孔后马上按照“两堵一注”的封孔工艺进行封孔，封孔深度不少于15 m。

4）待1 号～7 号考察孔施工完毕后，钻取8 号抽采孔。抽采孔的封孔工艺严格执行“两堵一注”，进行接抽，抽采孔设计负压抽采（抽采负压不小于20 kPa）。

5）每天测定1 号～7 号钻孔单孔瓦斯流量（L/min），记录1～7 号考察孔的瓦斯流量，并绘制出随时间的变化曲线。

6）根据上述瓦斯流量随时间的变化曲线进行分析，在某段抽采时间内，当1 号～7 号某个考察孔流量突然减小，进而偏离抽采钻孔瓦斯流量自然衰减曲线，即可确定该孔正处于抽采孔的影响半径内，同时处于该条件下、距抽采孔距离最远的考察孔，该孔与抽采孔的距离就是该预抽时间下抽采孔的影响半径。

3.3 钻孔施工参数

煤层赋存比较稳定，顶、底板条件较好，无裂隙发育的未采区域选作布孔地点。经现场考察，在赵庄二号井2311 轨道回风槽距工作面100 m 处，煤层赋存稳定，可以满足瓦斯抽采影响半径的地质条件。在2311 轨道回风槽距工作面100 m 处共布置有8 个孔，其中7 个考察孔和1 个抽采孔，具体标号是1 号～7 号钻孔为设计中的考察孔，8 号钻孔为设计中的抽采孔。考察孔和抽采孔具体的布置位置及各个孔的间距如图2。8 个钻孔垂直煤壁进行打钻。考察及抽采孔封孔方式及相关具体要求同3.2，具体参数见表3。

图2 预抽钻孔抽采半径测定钻孔布置图（m）

表3 考察孔和抽采孔实际布置参数

4 测试结果及分析

对各考察孔的瓦斯流量测定结果进行统计分析，各考察孔在8 号孔开始抽采后的瓦斯流量变化曲线如图3。

图3 各考察孔瓦斯抽采流量变化曲线图

由图3 可以看出：

1）1 号和2 号考察钻孔在测定过程中，瓦斯抽采流量虽然有起伏，但是考察期内没有大幅度的下降变化，无明显的衰减拟合曲线偏离，总体上符合正常衰减的趋势情况；3 号考察孔在测定过程中，瓦斯流量在抽采后第34 天发生了大幅下降，之后逐渐衰减至0；4 号考察孔瓦斯流量在抽采后第10天发生了大幅度的下降，之后逐渐衰减至0；5 号考察孔瓦斯流量在抽采后第7 天发生了大幅度的下降，之后逐渐衰减至0；6 号考察孔瓦斯流量在抽采后第17 天发生了大幅度的下降，之后逐渐衰减至0；7 号考察孔瓦斯流量在抽采后第56 天发生了大幅度的下降，之后逐渐衰减至0。

2）从图3 还可发现，除1 号和2 号考察孔外，其他考察孔瓦斯流量发生大幅下降后，其流量测值均偏离了原有钻孔自然排放拟合曲线。

通过分析可知，赵庄二号井3 号煤层在Φ94 mm 顺层抽采钻孔、抽采负压为36 kPa 条件下，抽采7 d 时其抽采影响半径为1.0 m，抽采10 d 时其抽采影响半径为1.5 m，抽采17 d 时其抽采影响半径为2.0 m，抽采34 d 时其抽采影响半径为2.5 m，抽采56 d 时其抽采影响半径为3.5 m。抽采钻孔影响半径与抽采时间的关系见表4。随着抽采时间的延长，抽采影响半径将会增加。

表4 抽采钻孔影响半径与抽采时间的关系

现场实测的抽采孔抽采影响半径和抽采时间的一一对应数据如表4 所示。对表中数据进行回归分析，拟合抽采钻孔抽采影响半径r与抽采时间t数据，得出二者关系如图4，其相关系数R2=0.989 9。

图4 抽采影响半径与时间的拟合曲线图

式中：r为抽采影响半径，m；t为抽采时间，d。

根据上述预抽钻孔的影响半径和时间之间的数学关系，能够计算出不同预抽时间下抽采孔的抽采影响半径，具体计算结果见表5。其中可以看出，在抽采90 d 后，抽采影响半径增加趋势逐渐减弱，抽采影响半径变化趋于稳定。按照预抽时间不少于90 d，抽采影响半径3.45 m左右，考虑工程施工便利，确定赵庄二号井本煤层预抽钻孔抽采影响半径3.00 m，可做为钻孔布置设计依据。

表5 顺层预抽钻孔抽采影响半径计算表

5 结论

1）顺层钻孔的抽采半径测定方法有很多，本文根据现场的实际情况布置考察孔与抽采孔，采用流量法对赵庄二号井预抽瓦斯的瓦斯抽采影响半径进行测试，并对数据进行分析和研究，得出了瓦斯抽采时预抽时间不少于90 d，确定了赵庄二号井本煤层预抽钻孔的抽采影响半径为3.00 m，为矿井瓦斯治理及抽采钻孔设计提供理论依据。

2）本文现场试验地点为赵庄二号井2311 轨道回风顺槽距离工作面100 m 处，建议当在煤层或瓦斯赋存条件有较大变化时、地质构造较大时，及时测定瓦斯抽采半径、煤层的原始瓦斯含量、煤的坚固性与透气性系数等相关参数，以此来保障矿井的安全生产。